JP5163808B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）または粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）などの成分が含まれている。内燃機関には、これらの成分を浄化するために排気浄化装置が取り付けられる。
特許第２７８３０４号公報には、窒素酸化物を除去する装置として、排気ガスの空燃比がリーンの時に排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを吸収し、排気ガスの空燃比が理論空燃比以下の時に吸収したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘ吸収放出材を備える排気浄化装置が開示されている。この装置では、ＮＯ_Ｘを放出して処理する時に排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にするようにし、さらに、ＮＯ_Ｘ吸収放出材の温度を上昇させることによりＮＯ_Ｘの浄化率を向上させることが開示されている。
特開２００７−１５４７６４号公報には、ＳＯ_Ｘトラップ触媒、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を担持したパティキュレートフィルタおよびＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からなる後処理装置と、後処理装置に後処理用燃料を供給するための燃料供給弁とを、機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置が開示されている。この装置においては、いずれかの触媒の劣化度合が予め定められた劣化度合を越えたときには、劣化度合の最も低い触媒に排気ガスの浄化作用を行わせることが開示されている。
排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘは、還元することにより浄化することができる。機関本体の排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを浄化するために、機関排気通路内にＮＯ_Ｘを選択的に還元できる選択還元触媒が配置される場合がある。選択的還元触媒が配置されている排気浄化装置は、選択還元触媒が低温の時には機関本体から排出されるＮＯ_Ｘを一時的に選択還元触媒に蓄えておくことができる。また、所定の温度領域で選択還元触媒に還元剤を供給することにより機関本体から排出されるＮＯ_Ｘを選択的に還元することができる。
また、機関本体の排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを浄化するために、機関排気通路内に三元触媒が配置される場合がある。三元触媒の温度が活性化温度以上であり、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチのときには、三元触媒にてＮＯ_Ｘの還元を行うことができる。
ところで、選択還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、所定の温度領域よりも高くなるとＮＯ_Ｘを選択的に還元する能力が小さくなる。すなわち、選択還元触媒のＮＯ_Ｘの浄化率が低くなる場合があった。さらに、選択還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域うち、理論空燃比の近傍の空燃比の領域では、ＮＯ_Ｘの浄化率が低くなる場合があった。このように、選択還元触媒は、所定の運転領域においてＮＯ_Ｘの浄化率が小さくなるという問題があった。

本発明は、窒素酸化物の浄化能力の低下を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Ｘを放出し、更にＮＯ_Ｘを選択的に還元する機能を有するＮＯ_Ｘ還元触媒と、ＮＯ_Ｘ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備える。ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍の領域の場合に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯ_Ｘ還元触媒に供給してＮＯ_Ｘを選択的に還元する。この構成により、上記の理論空燃比の近傍の領域において、窒素酸化物の浄化能力の低下を抑制することができる。
上記発明においては、機関排気通路内のＮＯ_Ｘ還元触媒の下流に配置されている三元触媒を備え、還元剤供給装置は、ＮＯ_Ｘ還元触媒の上流側の機関排気通路に燃料を供給する燃料添加弁を含む。機関本体の燃焼室にて噴射する燃料を増量することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下に下げる場合に、ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が上記の近傍の領域内であるときに、燃料添加弁から燃料を供給してＮＯ_Ｘ還元触媒にてＮＯ_Ｘを選択的に還元することができる。
本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Ｘを放出し、更にＮＯ_Ｘを選択的に還元する機能を有するＮＯ_Ｘ還元触媒と、ＮＯ_Ｘ還元触媒の下流に配置されている三元触媒と、ＮＯ_Ｘ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくする空燃比低下装置とを備える。内燃機関の運転領域のうち、ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであり、ＮＯ_Ｘ還元触媒では温度上昇に伴って選択還元によるＮＯ_Ｘ浄化率が徐々に減少し、かつ、三元触媒では温度上昇に伴ってＮＯ_Ｘ浄化率が徐々に増加する特定の運転領域を有する。この特定の運転領域において、ＮＯ_Ｘ還元触媒のＮＯ_Ｘ浄化率が予め定められた判定値よりも小さくなったときには、還元剤供給装置により還元剤をＮＯ_Ｘ還元触媒に供給してＮＯ_Ｘの選択還元を行うと共に、空燃比低下装置により三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしてＮＯ_Ｘの還元を行う。この構成により、窒素酸化物の浄化能力の低下を抑制することができる。
上記発明においては、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度を上昇させる昇温装置と、ＮＯ_Ｘ還元触媒のＮＯ_Ｘの吸収量を検出する吸収量検出装置とを備える。ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための低温側の判定値よりも低く、かつ、ＮＯ_Ｘ還元触媒のＮＯ_Ｘの吸収量が許容値以上であるときには、昇温装置によりＮＯ_Ｘ還元触媒を昇温した後に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯ_Ｘ還元触媒に供給してＮＯ_Ｘを選択的に還元することができる。
上記発明においては、ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための高温側の判定値よりも高いときには、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにして三元触媒においてＮＯ_Ｘを還元することができる。

図１は、実施の形態における内燃機関の概略図である。
図２は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の拡大概略断面図である。
図３は、実施の形態１におけるＮＯ_Ｘ選択還元触媒および三元触媒の特性を説明するグラフである。
図４は、実施の形態１における排気浄化装置の運転領域を説明するグラフである。
図５は、実施の形態１における排気浄化装置の制御を説明する第１のフローチャートである。
図６は、実施の形態１における排気浄化装置の制御を説明する第２のフローチャートである。
図７は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒におけるＮＯ_Ｘ吸着量と吸着速度との関係を説明するグラフである。
図８は、機関回転数および燃焼室での燃料の噴射量を関数にする単位時間当たりに機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量のマップである。
図９は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温およびＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を関数にする単位時間当たりに吸着されるＮＯ_Ｘ量のマップである。
図１０は、通常運転時における噴射パターンの説明図である。
図１１は、燃焼室においてアフター噴射を行う時の噴射パターンの説明図である。
図１２は、実施の形態１における排気浄化装置のＮＯ_Ｘ浄化率を説明するグラフである。
図１３は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図である。
図１４は、燃焼室においてポスト噴射を行う時の噴射パターンの説明図である。
図１５は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒における排気ガスの空燃比とＮＯ_Ｘの脱離との関係を説明するグラフである。
図１６は、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置の第１の運転例を説明するグラフである。
図１７は、実施の形態２における排気浄化装置の第１の運転例の制御を説明するフローチャートである。
図１８は、実施の形態２における排気浄化装置の第２の運転例を説明するタイムチャートである。

参照符号の一覧表
１…機関本体
２…燃焼室
３…燃料噴射弁
１３，１４…燃料添加弁
１７…選択還元触媒
１８…三元触媒
２６…温度センサ
２７…温度センサ
２８…空燃比センサ
３０…電子制御ユニット

実施の形態１
図１から図１４を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。また、内燃機関は、排気浄化装置を備える。機関本体１は、各気筒としての燃焼室２と、それぞれの燃焼室２に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。更に、吸気ダクト６の周りには、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置１１に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気浄化装置に連結されている。排気浄化装置は、機関本体１から排出される排気ガスを浄化することができる装置である。
本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ還元触媒としてのＮＯ_Ｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）１７を含む。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７は、還元剤を供給することによりＮＯ_Ｘを選択的に還元することができる。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７は、排気管１２を介して排気タービン７ｂの出口に連結されている。また、本実施の形態における排気浄化装置は、三元触媒１８を含む。三元触媒１８は、機関排気通路において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の下流側に配置されている。三元触媒１８は、ＣＯおよびＨＣを酸化し、さらにＮＯ_Ｘを還元することができる。
ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の上流の機関排気通路には、即ち排気管１２には、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に還元剤を供給するための還元剤供給装置として、燃料添加弁１３が配置されている。本実施の形態においては、機関本体１の燃料を還元剤として用いている。燃料添加弁１３は、燃料を供給したり停止したりする燃料供給作用を有するように形成されている。本実施の形態における燃料添加弁１３は、燃料を噴射するように形成されている。
三元触媒１８の上流側の機関排気通路には、空燃比低下装置としての燃料添加弁１４が配置されている。ここで、本発明では、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。燃料添加弁１４は、燃料を機関排気通路に供給することにより、三元触媒１８に流入する排気ガスの空燃比を小さくすることができる。本実施の形態における燃料添加弁１４は、機関本体１の燃料を噴射するように形成されている。
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれている。機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。コモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を含む。
ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の下流には、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ２６が配置されている。三元触媒１８の下流には、三元触媒１８の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ２７が配置されている。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の上流には、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ２８が配置されている。これらの温度センサ２６，２７および空燃比センサ２８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
吸入空気量検出器８の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体の回転数を検出することができる。
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。さらに、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料添加弁１３，１４に接続されている。本実施の形態における燃料添加弁１３，１４は、電子制御ユニット３０により制御されている。
図２は、本実施の形態におけるＮＯ_Ｘ選択還元触媒の拡大概略断面図である。本実施の形態におけるＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７は、還元剤としてのＨＣを供給することによりＮＯ_Ｘを選択的に還元する。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７は、ＮＯ_Ｘの還元反応を促進する触媒金属４８を含む。本実施の形態における触媒金属４８は銀（Ａｇ）により形成されている。触媒金属としては、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘを選択的に還元できる金属であれば構わない。触媒金属としては、たとえば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属、または銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の卑金属を用いることができる。
ＮＯ_Ｘ選択還元触媒は、触媒金属４８を保持するための触媒担体４９を含む。本実施の形態における触媒担体４９は、基体の表面に形成されている。触媒担体４９は、たとえば、ゼオライトまたは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の多孔質の物質から形成されている。
ＮＯ_Ｘ選択還元触媒は、所定の温度領域において、適量のＨＣ等の還元剤の存在下でＮＯ_Ｘを選択的に還元する機能を有する。ＮＯ_Ｘは、還元されることによりＮ_２とＯ_２に分解される。さらに、排気ガスの空燃比がリーンのときに、所定の温度領域において、選択還元触媒の触媒金属４８にはＮＯ_Ｘが吸着される。ＮＯ_Ｘは、たとえば、硝酸銀の形態で触媒金属に吸着される。ＮＯ_Ｘが吸着される温度領域は、概してＮＯ_Ｘが選択還元される温度領域よりも低い領域である。また、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチになると吸着していたＮＯ_Ｘを放出する。
三元触媒は、触媒金属として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）およびロジウム（Ｒｈ）などの貴金属を含む。貴金属は、酸化アルミニウム等の触媒担体に支持されている。触媒担体は、たとえば、ハニカム状に成形したコージェライト等の基体の表面に形成されている。三元触媒は、流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比にすることにより、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯ_Ｘの３成分を高効率で浄化する。三元触媒は、流入する排気の空燃比が理論空燃比より高くなるとＮＯ_Ｘの還元能力が低下する。すなわち、流入する排気ガスの空燃比がリーンになるとＮＯ_Ｘ浄化率が低下する。
図３に、本実施の形態におけるＮＯ_Ｘ選択還元触媒および三元触媒のＮＯ_Ｘの浄化率を説明するグラフを示す。上側の２つのグラフは、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の特性を示している。一番下のグラフは、三元触媒の特性を示している。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒のグラフは、流入する排気ガスの空燃比がリーンの状態のときの特性を示している。三元触媒のグラフは、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチのときの特性を示している。
ここで、本発明においては、ＮＯ_Ｘの浄化とは、排気ガス中からＮＯ_Ｘを除去することを示し、ＮＯ_Ｘの吸収およびＮＯ_Ｘの還元の両方の意味を含む。また、本発明において、吸収とは、物理的な吸着、化学的な吸着、吸蔵および付着を含む。
ＮＯ_Ｘ選択還元触媒は、床温が低いときには、触媒金属によりＮＯ_Ｘを吸着することができる。運転領域のうち領域Ａは、吸着によりＮＯ_Ｘの浄化を行う領域である。本実施の形態においては、吸着によるＮＯ_Ｘの浄化率が選択還元によるＮＯ_Ｘの浄化率がよりも高い領域では、吸着によるＮＯ_Ｘの浄化を行う。温度Ｔ_Ａは、選択還元によるＮＯ_Ｘの浄化率と吸着によるＮＯ_Ｘの浄化率とが同じになるときの床温である。領域Ａは、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が温度Ｔ_Ａ未満の運転領域である。
運転領域のうち領域Ｂは、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒において、ＮＯ_Ｘの選択還元を行う領域である。本実施の形態においては、領域Ｂとして、選択還元によるＮＯ_Ｘの浄化率が吸着によるＮＯ_Ｘの浄化率以上になる領域を選定している。領域Ｂは、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が温度Ｔ_Ａ以上かつ温度Ｔ_Ｂ以下の領域である。領域Ｂの低温側の温度の判定値は温度Ｔ_Ａであり、高温側の温度の判定値は温度Ｔ_Ｂである。選択還元によるＮＯ_Ｘ浄化率は、温度Ｔ_Ｂに近づくにつれて徐々に低下する。図１を参照して、本実施の形態においては、燃料添加弁１３から還元剤としての燃料を供給することにより、ＮＯ_Ｘの選択的な還元を行うことができる。
選択還元を行う領域Ｂの範囲については、上記に限られず、任意の温度範囲を選定することができる。たとえば、判定値としての低温側の温度Ｔ_Ａは、吸着によるＮＯ_Ｘの浄化率が所定の値まで降下した温度を採用しても構わない。
ところで、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が上昇すると、触媒金属に吸着していたＮＯ_Ｘが脱離する。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒からＮＯ_Ｘが脱離する床温は、選択還元によるＮＯ_Ｘ浄化率が小さくなる領域内にある。この温度領域では、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の選択還元機能が低下するとともに、ＮＯ_Ｘの脱離率が大きくなる。
一方で、三元触媒は、ＮＯ_Ｘを浄化するための活性化温度を有する。活性化温度から温度が高くなるにつれて、ＮＯ_Ｘの浄化率が徐々に高くなり、所定の温度で浄化率が一定になる。本実施の形態においては、活性化温度よりも高く、所定のＮＯ_Ｘ浄化率を達成できる温度Ｔ_Ｃ以上の運転領域を領域Ｃとしている。領域Ｃでは、三元触媒にてＮＯ_Ｘの還元を効率的に行うことができる。領域Ｃの選定、即ち温度Ｔ_Ｃの選定は、この形態に限られず、三元触媒によりＮＯ_Ｘの還元を行うことができる任意の領域を選択することができる。
図４に、本実施の形態における排気浄化装置の運転領域を説明するグラフを示す。図４は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒または三元触媒のそれぞれの触媒の床温と、それぞれの触媒に流入する排気ガスの空燃比との関係を模式的に示したグラフを示す。横軸がそれぞれの触媒の床温である。縦軸がそれぞれの触媒に流入する排気ガスの空燃比である。
運転領域は、領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃの他にも領域Ｄおよび領域Ｅが画定される。領域Ｄは、三元触媒に流入する排ガスの空燃比がリーンの状態であり、三元触媒の床温が温度Ｔ_Ｃ以上の領域である。領域Ｅは、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチの状態であり、温度Ｔ_Ｃよりも低温の領域である。
図１を参照して、本実施の形態の内燃機関は、通常の運転時には、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。また、本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の床温と三元触媒１８の床温とは、ほぼ同じになる。内燃機関の運転領域が、領域Ａおよび領域Ｂでは、主にＮＯ_Ｘ選択還元触媒でＮＯ_Ｘの浄化を行なう。領域Ｃ、領域Ｄおよび領域Ｅでは、主に三元触媒にてＮＯ_Ｘの浄化を行なう。
図５および図６に、本実施の形態における排気浄化装置の制御を説明するフローチャートを示す。図６は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチの時の制御を説明するフローチャートである。
はじめに、ステップ１００において、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が、理論空燃比より大きいか否かを判別する。すなわち、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるか否かを判別する。本実施の形態においては、空燃比センサ２８によりＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比を検出する。
ステップ１００において、排気ガスの空燃比がリーンの場合には、ステップ１０１に移行する。ステップ１０１においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が、温度Ｔ_Ａ以上温度Ｔ_Ｂ以下の範囲内であるか否かを判別する。すなわち、排気浄化装置の運転状態が領域Ｂの範囲内にあるか否かが判別される。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の下流に配置されている温度センサ２６によりＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の床温を検出する。
ステップ１０１において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が、温度Ｔ_Ａ以上温度Ｔ_Ｂ以下の範囲内にない場合には、ステップ１０５に移行する。ステップ１０５においては、三元触媒１８の床温が温度Ｔ_Ｃ以上であるか否かが判別される。すなわち、排気浄化装置の運転状態が領域Ｄの範囲内にあるか否かが判別される。本実施の形態においては、三元触媒１８の下流に配置されている温度センサ２７により三元触媒１８の床温を検出する。
三元触媒の床温が、温度Ｔ_Ｃ未満の場合には、排気浄化装置の運転状態が領域Ａにあると判別されて、ステップ１０７に移行する。このように、本実施形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、運転状態が領域Ａ、領域Ｂまたは領域Ｃのいずれかの領域にあるかが判別される。
ステップ１０１において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が、温度Ｔ_Ａ以上温度Ｔ_Ｂ以下の範囲内にあると判別された場合にはステップ１０２に移行する。運転状態は、領域Ｂの範囲内である。ステップ１０２においては、燃料添加弁１３から燃料を供給することにより、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７においてＮＯ_Ｘの選択還元を行なう。
次に、ステップ１０３において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の浄化率が予め定められた判定値ＲＸ未満であるか否かを判別する。図３を参照して、本実施の形態においては、この判定値として浄化率ＲＸを採用している。温度Ｔ_Ｄは、ＮＯ_Ｘ浄化率がＲＸになるときの床温である。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が温度Ｔ_Ｄよりも大きいか否かが判別される。ステップ１０３において、ＮＯ_Ｘの浄化率がＲＸ以上の場合には、選択還元による浄化が十分であると判断されて、この制御を終了する。ＮＯ_Ｘの浄化率がＲＸ未満の場合には、ステップ１０４に移行する。即ち、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が温度Ｔ_Ｄより大きい場合には、ステップ１０４に移行する。
ステップ１０４においては、三元触媒の床温が、温度Ｔ_Ｃ以上か否かが判別される。三元触媒の床温が、温度Ｔ_Ｃ未満である場合には、この制御を終了する。このように、図４を参照して、排気浄化装置が、領域Ｂのうち領域Ｄと重ならない領域にて運転を行っている場合には、ＮＯ_Ｘの選択還元を行なうことによりＮＯ_Ｘを浄化する。
図５を参照して、ステップ１０４において、三元触媒の床温が温度Ｔ_Ｃ以上であると判別された場合には、ステップ１０６に移行する。図４を参照して、排気浄化装置が領域Ｂと領域Ｄとが重なりあう領域にて運転を行っている場合には、ステップ１０６に移行する。ステップ１０６においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を下げる制御を行う。
本実施の形態においては、図１を参照して、三元触媒１８の上流側に配置されている燃料添加弁１４から燃料を供給することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御する。図４において矢印９１に示すように、運転状態は、領域Ｂと領域Ｄとが重なり合う領域から領域Ｃに移行する。三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御することにより、三元触媒においてもＮＯ_Ｘの浄化を行なうことができる。
図３を参照して、領域Ｂのうち温度が高い領域では、選択還元によるＮＯ_Ｘの浄化率が低下する。さらに、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒からのＮＯ_Ｘの脱離が生じ得る。このため、上流側のＮＯ_Ｘ選択還元触媒のみによるＮＯ_Ｘの浄化では浄化率が低くなる。しかしながら、三元触媒の床温が温度Ｔ_Ｃ以上である場合には、排気ガスの空燃比を理論空燃比にすることにより、三元触媒においてもＮＯ_Ｘを浄化することができる。このように、領域Ｂと領域Ｄとが重なり合う領域については、上流側のＮＯ_Ｘ選択還元触媒および下流側の三元触媒の両方でＮＯ_Ｘを還元することにより、ＮＯ_Ｘの浄化率を高くすることができる。
次に、図５を参照して、ステップ１０５において、三元触媒の床温が、温度Ｔ_Ｃ以上の場合には、ステップ１０６に移行する。ステップ１０６においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御することにより、ＮＯ_Ｘの浄化を三元触媒にて行なう。図４を参照して、排気浄化装置が、領域Ｄのうち領域Ｂと重ならない領域にて運転を行っている場合には、三元触媒にてＮＯ_Ｘの浄化を行う。
本実施の形態のステップ１０６においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように制御を行っているが、この形態に限られず、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように制御を行なっても構わない。しかし、三元触媒は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比の条件下で、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯ_Ｘの浄化率が高くなるために、理論空燃比に制御することが好ましい。
ステップ１０５において、三元触媒の床温が、温度Ｔ_Ｃ未満の場合には、ステップ１０７に移行する。図４に示す運転状態が領域Ａの場合には、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒にてＮＯ_Ｘを吸着することによりＮＯ_Ｘの浄化を行なう。ところで、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒は、ＮＯ_Ｘ吸着量が多いために、ＮＯ_Ｘの吸着率が小さくなっている場合がある。ステップ１０７においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に吸着しているＮＯ_Ｘ吸着量が予め定められた許容値以上であるかを判別する。
図７に、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒におけるＮＯ_Ｘ吸着量と吸着率との関係を説明するグラフを示す。ＮＯ_Ｘ吸着量が増加すると、ＮＯ_Ｘの吸着率が減少することが分かる。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘの吸着速度が所定の値まで遅くなる吸着率ＲＹの点を、ステップ１０７におけるＮＯ_Ｘ吸着量の許容値としている。本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒のＮＯ_Ｘ吸収量を検出する吸収量検出装置を備える。次に、本実施の形態における吸収量検出装置について説明する。
図８に、本実施の形態における単位時間当たりに機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量のマップを示す。たとえば、機関回転数Ｎと燃焼室２に噴射する燃料の噴射量ＴＡＱとを関数にする単位時間あたりのＮＯ_Ｘの放出量ＮＯＸＡのマップを予め作成する。このマップを、たとえば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に内蔵する。本実施の形態においては、機関本体１から排出されるＮＯ_Ｘ量とＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入するＮＯ_Ｘ量とは等しくなる。このマップにより、運転状態に応じて算出される単位時間あたりにＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を算出することができる。次に、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入するＮＯ_Ｘ量からＮＯ_Ｘ吸着量を算出する。
図９に、本実施の形態における単位時間当たりにＮＯ_Ｘ選択還元触媒に吸着されるＮＯ_Ｘ吸着量のマップを示す。たとえば、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温ＴＳＣＲと、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入するＮＯ_Ｘ量ＮＯＸＡを関数にする単位時間あたりのＮＯ_Ｘ吸着量ＮＯＸＢのマップを予め作成する。このマップを、たとえば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に内蔵する。このマップにより、運転状態に応じて算出される単位時間当たりのＮＯ_Ｘ吸着量を算出することができる。単位時間当たりのＮＯ_Ｘ吸着量を積算することにより、任意の時刻において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に吸着されているＮＯ_Ｘ量を算出することができる。
ＮＯ_Ｘの吸収量を検出する吸収量検出装置としては、この形態に限られず、任意の構成によりＮＯ_Ｘの吸収量を検出することができる。例えば、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の上流側および下流側にＮＯ_Ｘセンサを配置する。単位時間当たりにＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入するＮＯ_Ｘ量と、単位時間当たりにＮＯ_Ｘ選択還元触媒から流出するＮＯ_Ｘ量とを検出する。これらのＮＯ_Ｘセンサの出力の差により、単位時間当たりにＮＯ_Ｘ選択還元触媒に吸収されたＮＯ_Ｘ量を算出しても構わない。
図５を参照して、ステップ１０７において、ＮＯ_Ｘ吸着量が許容値未満の場合には、この制御を終了する。すなわち、図４の領域Ａにおいて、ＮＯ_Ｘの吸着可能量が所定値より大きい場合には、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の吸着によりＮＯ_Ｘの浄化を行なう。ステップ１０７において、ＮＯ_Ｘ吸着量が許容値以上の場合にはステップ１０８に移行する。
ステップ１０８においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒を領域Ａから領域Ｂまで昇温する。すなわち、ＮＯ_Ｘの選択還元により十分なＮＯ_Ｘの浄化率を得ることができる温度域まで、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒を昇温する。図３を参照して、たとえば、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の床温が温度Ｔ_Ａ以上温度Ｔ_Ｄ以下の範囲内になるまで昇温する。
本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の温度を上昇させるための昇温装置を含む。本実施の形態における昇温装置は、機関本体１の燃料噴射弁３と電子制御ユニット３０とを含む。機関本体１の燃焼室２における噴射パターンを変更することにより、機関本体１から排出される排気ガスの温度を上昇させる。排気ガスの温度を上昇させることによりＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７を昇温する。ここで、燃焼室における噴射パターンの変更について説明する。
図１０に、本実施の形態における内燃機関の通常運転時における燃料の噴射パターンを示す。噴射パターンＡは、通常運転時における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点ＴＤＣで主噴射ＦＭが行なわれる。クランク角が略０°において主噴射ＦＭが行なわれる。また、主噴射ＦＭの燃焼を安定化させるために、主噴射ＦＭの前にパイロット噴射ＦＰが行なわれる。パイロット噴射ＦＰは、例えば、クランク角が圧縮上死点ＴＤＣの前の略１０°から略４０°の範囲において行なわれる。通常運転時においては、噴射パターンＢに示すように、パイロット噴射ＦＰが行なわれずに主噴射ＦＭのみが行なわれていても構わない。本実施の形態においては、パイロット噴射ＦＰが行なわれる噴射パターンを例に取り上げて説明する。通常運転において噴射パターンＡで運転されているときには、機関本体から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。
図１１に、機関本体から排出される排気ガスを昇温するときの噴射パターンを示す。噴射パターンＣにおいては、主噴射ＦＭの噴射時期が圧縮上死点ＴＤＣから遅れている。すなわち、主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期の遅角に伴って、パイロット噴射ＦＰの噴射時期も遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。
更に、主噴射ＦＭの後に、補助噴射としてのアフター噴射ＦＡを行っている。アフター噴射ＦＡは、主噴射の後の燃焼可能な時期に行なわれる。アフター噴射ＦＡは、例えば圧縮上死点後のクランク角が略４０°までの範囲で行なわれる。例えば、圧縮上死点後のクランク角が略２０°から略３０°の範囲において行なわれる。アフター噴射ＦＡを行なうことにより、後燃え期間が長くなるために、排気ガスの温度を上昇させることができる。このように、燃焼室における噴射パターンを変更することにより機関本体から排出される排気ガスを昇温することができる。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の温度を上昇させるための昇温装置としては、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度を上昇させることができる任意の装置を採用することができる。
図５を参照して、ステップ１０８において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒を領域Ｂまで昇温した後に、ステップ１０９に移行する。ステップ１０９においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の上流側の燃料添加弁１３から燃料を添加することにより、ＮＯ_Ｘの選択還元を行なう。このように、図４に示す領域Ｂにて選択還元を行なうことにより、ＮＯ_Ｘの浄化を行う。
本実施の形態においては、排気浄化装置が領域Ａにて運転を行っている場合に、ＮＯ_Ｘ吸着量が許容値以上になったときには、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒にてＮＯ_Ｘの還元を行っているが、この形態に限られず、三元触媒にて還元を行っても構わない。たとえば、三元触媒の温度を上昇させて活性化温度以上にする。さらに、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、三元触媒にてＮＯ_Ｘの還元を行うことができる。このときに、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の温度がＮＯ_Ｘ放出温度以上になった場合には、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に吸着されているＮＯ_Ｘが放出される。放出されたＮＯ_Ｘは、機関本体から排出されるＮＯ_Ｘと共に、三元触媒にて還元することができる。
図５のステップ１００において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチの場合には、図６のステップ１１１に移行する。ステップ１１１においては、三元触媒の床温が温度Ｔ_Ｃ以上であるか否かを判別する。三元触媒の床温が温度Ｔ_Ｃ以上である場合には、既に三元触媒によるＮＯ_Ｘの還元が可能であるために、この制御を終了する。図４を参照して、排気浄化装置が領域Ｃにて運転を行っている場合には、三元触媒においてＮＯ_Ｘの浄化が可能である。このため、領域Ｃにおける運転を継続する。このときに、三元触媒の床温が十分に高くないために、十分に活性化されていない場合には、三元触媒を昇温しても構わない。三元触媒の昇温は、たとえば、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の昇温と同様に、燃焼室における噴射パターンを変更することにより行なうことができる。
ステップ１１１において、三元触媒の床温が温度Ｔ_Ｃ未満である場合には、ステップ１１２に移行する。ステップ１１２においては、三元触媒を温度Ｔ_Ｃ以上に昇温する。図４を参照して、排気浄化装置が領域Ｅにて運転を行っている場合には領域Ｃに移行させる。三元触媒の温度を上昇させて、三元触媒にてＮＯ_Ｘの還元を行う。
図１２に、本実施の形態における排気浄化装置のＮＯ_Ｘの浄化率を説明するグラフを示す。横軸がそれぞれの触媒の床温である。縦軸が排気浄化装置全体の浄化率である。本実施の形態における排気浄化装置は、領域Ｂおよび領域Ｃが重なり合う領域において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒におけるＮＯ_Ｘの浄化に加えて、三元触媒においてＮＯ_Ｘの浄化を行なうために、ＮＯ_Ｘの高い浄化率を得ることができる。
本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ還元触媒として、ＨＣを供給することによりＮＯ_Ｘを選択的に還元できるＮＯ_Ｘ選択還元触媒を例に挙げて説明したが、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Ｘを放出し、更にＮＯ_Ｘを選択的に還元する機能を有する触媒であれば構わない。 たとえば、ＮＯ_Ｘ還元触媒は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を含んでいても構わない。
図１３に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が形成されている。触媒担体４５の表面上には貴金属４６が分散して担持されている。触媒担体４５の表面上にはＮＯ_Ｘ吸収剤４７の層が形成されている。貴金属４６は、例えば白金（Ｐｔ）を含む。ＮＯ_Ｘ吸収剤４７を構成する成分は、例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、または、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときには、排気ガス中に含まれるＮＯが貴金属４６上において酸化されてＮＯ_２になる。ＮＯ_２は、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７内に吸蔵される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき或いは理論空燃比のときには、ＮＯ_Ｘ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７から放出される。放出されたＮＯ_Ｘは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素によってＮ_２に還元される。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、選択還元を生じさせる貴金属が担持されているために、還元剤を供給することにより、ＮＯ_Ｘを選択的に還元することができる。特に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が劣化したときにも、選択的にＮＯ_Ｘを還元する機能が残存する。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、選択的にＮＯ_Ｘを還元する機能を有しているために、ＮＯ_Ｘ還元触媒が、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を含む装置に対しても、本発明を適用することができる。
本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置として、燃料添加弁が配置されている。還元剤供給装置は、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に還元剤を供給できれば構わない。たとえば、還元剤供給手段は、機関本体１の燃料噴射弁３を含む。燃焼室における噴射パターンの変更により、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に未燃燃料を供給しても構わない。
図１４に、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に未燃燃料を供給するときの噴射パターンを示す。噴射パターンＤは、主噴射ＦＭの後にポスト噴射ＦＰＯを行なっている。ポスト噴射ＦＰＯは、燃焼室において燃料が燃焼しない噴射である。ポスト噴射ＦＰＯは、アフター噴射と同様に補助噴射である。アフター噴射が機関出力に影響を与える一方で、ポスト噴射は機関出力に寄与しない特徴を有する。ポスト噴射ＦＰＯは、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略９０°から略１２０°の範囲内において行われる。燃焼室において、ポスト噴射を行うことによりＮＯ_Ｘ選択還元触媒に未燃燃料を供給することができる。
また、本実施の形態においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくする空燃比低下装置として、燃料添加弁が配置されている。空燃比低下装置は、この形態に限られず、三元触媒に流入する空燃比を下げることができるように形成されていれば構わない。
たとえば、空燃比低下装置は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の上流側に配置されている燃料添加弁を含んでいても構わない。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の上流側から未燃燃料を供給することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくしても構わない。または、燃焼室においてポスト噴射を噴射することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくしても構わない。しかしながら、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に多量の未燃燃料を供給すると、ＨＣ被毒が生じて、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の浄化率が低下する場合がある。このために、燃料を添加する装置は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の下流側に配置されていることが好ましい。
また、三元触媒の上流側の機関排気通路に、酸素を供給するための酸素添加弁が配置されていても構わない。たとえば、機関排気通路内に空気を供給するための空気供給弁が配置されていても構わない。三元触媒は、理論空燃比の近傍で優れた酸化性能および還元性能を発揮するように設計されている。このため、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から流出する排気ガスの空燃比が深いリッチの場合には、空気供給弁から空気を供給することにより、空燃比を理論空燃比に近づけることができる。この結果、三元触媒にて優れた浄化を行うことができる。
実施の形態２
図１および図１５から図１８を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の構成は、実施の形態１における排気浄化装置と同様である。図１を参照して、機関排気通路内にＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７が配置され、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の下流に三元触媒１８が配置されている。
図１５に、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比と、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から脱離するＮＯ_Ｘ量との関係を説明するグラフを示す。発明者らは、流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍のスライトリーン領域では、吸収されていたＮＯ_Ｘが脱離するために、ＮＯ_Ｘ浄化率が低下することを見出した。理論空燃比の近傍の領域では、酸素濃度が低下するに伴って徐々にＮＯ_Ｘが脱離する。本発明においては、理論空燃比に隣接するリーンの領域であって、吸収されていたＮＯ_Ｘが脱離する領域を脱離領域という。脱離領域は、例えば、触媒に流入する排気ガスの空燃比が１４．７（理論空燃比）より大きく略１８以下である。
図１を参照して、本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒が脱離領域にて運転を行っているときには、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の上流に配置されている燃料添加弁１３により、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に還元剤を供給して、脱離したＮＯ_Ｘを選択的に還元する。
図１６に、本実施の形態における第１の運転例を説明するグラフを示す。第１の運転例においては、領域Ａにて運転を行っているときに、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に吸着しているＮＯ_Ｘ量が予め定められた許容値を超えている。このときに、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させると共に、放出させたＮＯ_Ｘを還元する制御を行う。本実施の形態においては、矢印９２に示すように、排気浄化装置の運転状態を、領域Ａから領域Ｃに移行させる制御を行う。
ＮＯ_Ｘ選択触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすることにより、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に吸収されているＮＯ_Ｘが排出される。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに移行することによりＮＯ_Ｘが放出される。また、三元触媒１８の温度を活性化温度以上にすることにより、放出されたＮＯ_Ｘを三元触媒により浄化する。即ち領域Ａから領域Ｃに移行することにより、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒からのＮＯ_Ｘの放出と三元触媒におけるＮＯ_Ｘの還元とを行う。
図１を参照して、本実施の形態においては、機関本体１における燃焼室２においてアフター噴射（図１１参照）を行なう。さらに、機関吸気通路のスロットル弁１０を絞ることにより、燃焼室２に流入する空気量を減少させる燃焼リッチ制御を行う。スロットル弁１０の開度を小さくすることにより、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、ＮＯ_Ｘを放出させることができる。本実施の形態においては、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにしている。
また、燃焼室においてアフター噴射を行うことにより、排気ガスの温度が上昇して、三元触媒を活性化温度以上にすることができる。このため、三元触媒において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から放出されたＮＯ_Ｘの還元を行うことができる。
アフター噴射の燃料の少なくとも一部は、燃焼室において燃焼される。燃料の少なくとも一部が燃焼することにより、排気ガスに含まれる軽質の未燃炭化水素（ＨＣ）やＣＯ等が増加する。機関排気通路に軽質な未燃炭化水素（ＨＣ）またはＣＯ等を還元剤として供給することができる。軽質な未燃炭化水素やＣＯ等は、還元性に優れているために、還元剤として好ましい。
図１６を参照して、燃焼室においてアフター噴射を行い、さらに、スロットル弁を絞って排気ガスの空燃比を調整する燃焼リッチ制御を行う場合には、除々に排気ガスの空燃比が小さくなる。このため、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内になる期間が存在する。本実施の形態においては、脱離領域においてＮＯ_Ｘ選択還元触媒に還元剤を供給することにより、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から脱離するＮＯ_Ｘの選択還元を行なう。
図１７に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の制御のフローチャートを示す。ステップ２０１において、燃焼室において燃焼リッチ制御を行っているか否かが判別される。ステップ２０１において、燃焼リッチ制御の期間中の場合にはステップ２０２に移行する。ステップ２０２においては、排気ガスの空燃比が脱離領域内にあるか否かが判別される。ステップ２０２においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比より大きいか否かが判別される。さらに、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が予め定められた判定値以下であるか否かが判別される。この判定値は、たとえば、脱離領域の空燃比が大きい側の端の値を用いることができる。
ステップ２０２において、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域の範囲内にない場合には、この制御を終了する。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域の範囲内である場合には、ステップ２０３に移行する。
ステップ２０３においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に還元剤を供給する。本実施の形態においては、燃料添加弁１３から燃料を噴射する。本実施の形態においては、燃焼室２においてアフター噴射を行なっているために、機関本体１から排出される排気ガスの温度が上昇している。このため、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の温度を、選択還元が可能な温度まで上昇することができる。燃料添加弁１３から燃料を噴射することにより、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から脱離するＮＯ_Ｘを還元することができる。
燃料添加弁から燃料を供給することにより、短時間でＮＯ_Ｘを還元できる運転状態に移行することができる。たとえば、燃焼パターンの変更等は、排気ガスの空燃比が比較的ゆっくりした速度で変化する。これに対して、燃料添加弁の噴射の応答性は高い。排気ガスの空燃比が脱離領域内に存在する時間が短い場合や脱離するＮＯ_Ｘが僅かな場合でも、ＮＯ_Ｘを確実に還元することができる。
ステップ２０３が終了したらステップ２０１に移行する。ステップ２０１において、燃焼リッチの制御中でない場合にはこの制御を終了する。
本実施の形態においては、燃焼リッチ制御を行っている期間中に脱離領域を通過する運転を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の運転を行なっている場合に、ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内になったときに、本発明を適用することができる。特に、排気浄化装置が脱離領域内にて運転する時間が長い場合に、本発明は顕著な効果を奏する。
本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を下げるために、燃焼室においてアフター噴射を行っているが、この形態に限られず、ポスト噴射を行っても構わない。このように、燃焼室において噴射する燃料を増量することにより、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を下げることができる。
図１８に、本実施の形態における第２の運転例を説明するタイムチャートを示す。第２の運転例においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が暫らくの期間、脱離領域の範囲内になるときの運転例である。第２の運転例においては、内燃機関が配置された車両が加速するときの例である。
車両は、時刻ｔ_１まで、一定の車速で走行している。車両は、時刻ｔ_１から時刻ｔ_４まで加速している。ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比は、時刻ｔ_１から時刻ｔ_４まで小さくなる。このときに、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの期間は、排気ガスの空燃比が脱離領域内の値になっている。
図１を参照して、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比は、空燃比センサ２８により検出することができる。排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内の値になったことを検出する。この場合に、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒１７の上流側の燃料添加弁１３から燃料を供給することにより、脱離するＮＯ_Ｘを還元することができる。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内の値になっている期間の間、連続的に燃料添加弁から燃料を供給している。燃料添加弁からＮＯ_Ｘ選択還元触媒に燃料を供給する場合には、間欠的に燃料を供給しても構わない。
比較例は、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に還元剤を供給しない例である。比較例では、排気ガスの空燃比が脱離領域内になるときに、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から排出されるＮＯ_Ｘ量が多くなっている。これに対して、排気ガスの空燃比が脱離領域内になるときに、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒に還元剤を供給することにより、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から排出されるＮＯ_Ｘ量を少なくすることができる。
本実施の形態においては、脱離領域において排出されるＮＯ_Ｘを、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒内で選択還元することによりＮＯ_Ｘの浄化を行っているが、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒の下流側に、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒から排出されるＮＯ_Ｘを浄化する装置を配置しても構わない。
また、本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ還元触媒としてＮＯ_Ｘ選択還元触媒が配置されているが、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Ｘを放出し、更にＮＯ_Ｘを選択的に還元する機能を有する触媒であれば構わない。
例えば、ＮＯ_Ｘ還元触媒は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を含むことができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒においても、ＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸収剤に吸蔵されると共に触媒金属に吸着される。このために、流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内にある場合には、ＮＯ_Ｘの脱離が発現する。このときに、還元剤供給装置により還元剤を供給することにより、ＮＯ_Ｘを選択的に還元することができる。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒においては、ＮＯ_Ｘが主にＮＯ_Ｘ吸収剤に吸蔵される。このために、脱離領域におけるＮＯ_Ｘの脱離量は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒よりもＮＯ_Ｘ選択還元触媒が多くなる。このため、排気浄化装置がＮＯ_Ｘ選択還元触媒を備える場合には、本発明の効果が顕著になる。すなわち、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒では、脱離領域においてＮＯ_Ｘが脱離し易いために、本発明のＮＯ_Ｘの排出を抑制する効果が顕著になる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

Claims (4)

1. 機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Ｘを放出し、更にＮＯ_Ｘを選択的に還元する機能を有するＮＯ_Ｘ還元触媒と、ＮＯ_Ｘ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、機関排気通路内のＮＯ_Ｘ還元触媒の下流に配置されている三元触媒とを備え、
   ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍の領域の場合に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯ_Ｘ還元触媒に供給してＮＯ_Ｘを選択的に還元し、
   還元剤供給装置は、ＮＯ_Ｘ還元触媒の上流側の機関排気通路に燃料を供給する燃料添加弁を含み、
   機関本体の燃焼室にて噴射する燃料を増量することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下に下げる場合に、ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が前記近傍の領域内であるときに、燃料添加弁から燃料を供給してＮＯ_Ｘ還元触媒にてＮＯ_Ｘを選択的に還元することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
2. 機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Ｘを放出し、更にＮＯ_Ｘを選択的に還元する機能を有するＮＯ_Ｘ還元触媒と、ＮＯ_Ｘ還元触媒の下流に配置されている三元触媒と、ＮＯ_Ｘ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくする空燃比低下装置とを備え、
   内燃機関の運転領域のうち、ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであり、ＮＯ_Ｘ還元触媒では温度上昇に伴って選択還元によるＮＯ_Ｘ浄化率が徐々に減少し、かつ、三元触媒では温度上昇に伴ってＮＯ_Ｘ浄化率が徐々に増加する運転領域において、ＮＯ_Ｘ還元触媒のＮＯ_Ｘ浄化率が予め定められた判定値よりも小さくなったときには、還元剤供給装置により還元剤をＮＯ_Ｘ還元触媒に供給してＮＯ_Ｘの選択還元を行うと共に、空燃比低下装置により三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしてＮＯ_Ｘの還元を行うことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
3. ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度を上昇させる昇温装置と、
   ＮＯ_Ｘ還元触媒のＮＯ_Ｘの吸収量を検出する吸収量検出装置とを備え、
   ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための低温側の判定値よりも低く、かつ、ＮＯ_Ｘ還元触媒のＮＯ_Ｘの吸収量が許容値以上であるときには、昇温装置によりＮＯ_Ｘ還元触媒を昇温した後に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯ_Ｘ還元触媒に供給してＮＯ_Ｘを選択的に還元することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. ＮＯ_Ｘ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための高温側の判定値よりも高いときには、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにして三元触媒においてＮＯ_Ｘを還元することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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